До мене надходить багато запитань про збільшення потужності контролера елемента Пельтьє. У цій статті я розповім про моє бачення цього питання, дам рекомендації по вибору компонентів пристрою.
Програмне забезпечення міняти не треба. У контролері існують вимірювальні коефіцієнти для вихідних параметрів: струму, напруги, потужності. Ці коефіцієнти враховують передавальні характеристики вимірювачів контролера. Вони описані в статті про програму Монітор для контролера елемента Пельтьє. Нижче я вкажу, які компоненти схеми впливають на вимірювальні коефіцієнти.
Існує проблема з відображенням вихідної потужності контролера. Справа в тому, що потужність відображається на 3х розрядному індикаторі. Я зробив індикацію з точністю 0,1 Вт для того, щоб краще спостерігати роботу регулятора. Але на 3 розрядах можна відобразити максимальну потужність 99,9 Вт. Мені це було цілком достатньо.
Якщо потрібна велика потужність, то можу запропонувати наступний варіант. Програма контролера працює не з ватами, а зі значеннями АЦП. Процеси регулятора і відображення на індикаторах розділені і не впливають один на одного. Можна задати коефіцієнт потужності в 10 разів менший, ніж реальний і не звертати уваги на децимальних точку на індикаторах. Тим більше, що вихідна потужність швидше оцінний параметр. Природно, задані значення потужності також повинні бути в 10 разів менші.
Принцип роботи силової частини контролера.
Силова частина контролера побудована за класичною схемою понижуючого імпульсного стабілізатора. Тільки навантаження "відірвана" від землі, а до землі "прив'язаний" ключ. Таке рішення дозволило управляти MOSFET ключем від сигналу мікроконтролера через простий драйвер-підсилювач.
- При замкнутому ключі струм надходить в навантаження по ланцюгу: джерело живлення, дросель, ключ (шлях струму показаний червоним кольором).
- При розімкнутому ключі енергія, запасені в дроселі надходить в навантаження через рекуперативний діод (шлях струму показаний синім кольором).
Це основні компоненти, що впливають на вихідну потужність регулятора.
Вибір компонентів для збільшення вихідної потужності контролера.
Схема силової і вимірювальної частини контролера.
Для збільшення вихідної потужності контролера необхідно змінювати компоненти саме цієї частини схеми.
Перш за все, MOSFET транзистор повинен бути низькопорогових, тобто він повинен відкриватися при низькій напрузі на затворі.
У схемі застосовується простий, але ефективний драйвер, зібраний на двох еммітерной повторителях VT2, VT3. Недолік у нього один - низька максимальна напруга на виході. У цій схемі воно 4,3 В. Тому MOSFET транзистор і повинен бути низькопорогових.
Багато хто пропонує підключити колектор VT2 до + 12 В і чекають збільшення вихідної напруги. Просто згорить контролер, та й транзистор теж. Це еммітерной повторювач. Він підсилює сигнал тільки по току. А по напрузі навіть знижує сигнал через неідеальних характеристик транзисторів. Зате драйвер, зібраний за таким принципом, володіє високою швидкодією. Саме низька швидкодія транзисторних ключів з насиченням не дає можливість використовувати їх.
Звичайно можна застосувати інтегральний драйвер з вихідною напругою 12 В, але я думаю простіше вибрати низькопорогових MOSFET транзистор. Їх дуже багато з самими різними характеристиками.
У схемі застосовуються два паралельно включених MOSFET транзистора IRF7313. Технічну інформацію в форматі PDF можна переглянути за посиланням irf7313.pdf.
У довідкових даних вказано параметр Vgs (th). Саме на нього, перш за все треба звернути увагу. Для IRF7313 він становить всього 1 В. Тобто при напрузі всього 1 В транзистор починає відкриватися. Але важливіше оцінити залежність струму стоку транзистора від напруги на затворі. Для IRF7313 вона виглядає так.
При напрузі на затворі 4 В, струм стоку більше 20 А. А в схемі 2 транзистора паралельно.
Гранично-допустимий струм стоку IRF7313 при 70 ° C становить 5,2 А. Для двох транзисторів 10,4 А.
Вкрай важливо опір відкритого транзистора. У статичному режимі нагрівання транзистора визначається струмом стоку і цим опором (P = I 2 * R). Максимальний опір відкритого транзистора IRF7313 всього 0,046 Ом. Як правило, на цей параметр впливає гранично-допустима напруга стік-витік. Тому краще не вибирати транзистори з високою робочою напругою.
Бажано звернути увагу на ємність затвора MOSFET транзистора. Адже це основне навантаження на драйвер в динамічному режимі. Для IRF7313 ємність затвора складає 650 пкФ. У схемі два транзистора, значить, драйвер працює на ємністю 1300 пкФ. Можу сказати, що з таким навантаженням драйвер на еммітерной повторителях справляється без проблем.
Ще раз перелічу основні параметри MOSFET транзисторів, на які слід звернути увагу:
- порогове напруга затвора;
- максимально-допустимий струм стоку;
- опір у відкритому стані;
- максимально допустимая напруга стік-витік;
- вхідна ємність (ємність затвора).
Рекуперативний діод VD1.
Повинен володіти високою швидкодією і низьким падінням напруги в відкритому стані. Тобто однозначно треба використовувати діод Шотткі. Зворотна напруга на VD1 не перевищує напруга живлення контролера.
Я вибрав SR540 (5 А, 40 В), але варіантів дуже багато. Середній струм через діод, як правило, менше струму навантаження і зменшується при збільшенні напруги на виході. Але краще максимально-допустимий середній струм діода вибирати не менше струму навантаження.
Силовий дросель L3.
Один з найважливіших елементів схеми.
У дроселя два параметра цікавлять нас в першу чергу:
Індуктивність визначає швидкість наростання струму при комутаціях або пульсації струму.
Струм в індуктивності визначається співвідношенням I = U * T / L, де
- U - напруга на дроселі;
- T - тривалість імпульсу;
- L - індуктивність.
Прийнято задавати пульсації струму не більше 20% від номінального.
У мене в схемі вказано дросель індуктивністю 200 мкГн. Для нього справедливі наступні розрахунки.
- Приймемо напруга на елементі Пельтьє не нижче 5 В. Тоді максимальна напруга на дроселі 12 - 5 = 7 В.
- Частота ШІМ 100 кГц, період 10 мкс, тривалість імпулса ШІМ приймемо 10 мкс.
- Тоді амплітуда пульсацій струму I = 7 * 0,00001 / 0,0002 = 0,35 А.
Індуктивність обрана з великим запасом. Реально напруга на елементі Пельтьє більше, значить на дроселі менше. Тривалість імпульсу ШІМ як правило менше 10 мкс.
У мене в реальному пристрої використовується дросель з індуктивністю 120 мкГн.
При збільшенні вихідного струму індуктивність можна ще зменшувати.
Струм насичення дроселя це струм, при якому дросель втрачає індуктивність. Струм насичення повинен бути більше максимального струму в пристрої з урахуванням пульсацій. Саме для цього в муздрамтеатрі дроселя є зазор.
Тут є ще один нюанс. У схемі контролера використовується вузол апаратної захисту по струму. Зібраний на транзисторі VT1. Як тільки напруга на датчику струму R15 перевищить 0,6 В (напруга база-емітер транзистора) транзистор VT1 відкриється, скине мікроконтролер і ШІМ миттєво відключиться. Захист повинна спрацьовувати тільки на різке замикання навантаження. Так ось, бажано, щоб струм насичення дроселя був не менше струму спрацьовування цього захисту. У моїй схемі це I = 0,6 / 0,05 = 12 А. Я це правило не витримую, але на замикання навантаження схему не перевіряв.
Щоб знизити втрати на нагрівання дроселя, його активний опір має бути мінімальним. Для цього перетин дроту обмотки треба вибрати досить великим.
Активний опір дроселя обчислюється за формулою:
- R - опір обмотки (Ом),
- Ρ - питомий сопоотівленіе матеріалу, для міді 0,0175 (Ом * мм2 / м);
- l - довжина обмотки (м);
- S - площа перетину обмотки (мм2).
Потужність активних втрат в дроселі обчислюється за формулою P = I 2 * R.
Дросель працює на високій частоті 100 кГц, тому обмотку краще виконати декількома тонкими проводами, складеними разом. Це збільшує площу поверхні обмотки. На високій частоті струм здебільшого протікає по поверхні провідника (скін-ефект).
Ємність танталових конденсаторів C7 і C8 необхідно збільшити пропорційно вихідному струму. Краще поставити кілька паралельно.
Що стосується C9 і C11. Я не думаю, що їх ємність треба збільшувати. Вони виконують функцію стабілізації вихідної напруги на час реакції регулятора. Це особливо важливо при харчуванні пристрою від нестабілізованого джерела живлення. Пульсації джерела живлення - єдине швидке рівноваги вплив на регулятор. Опір елемента Пельтьє різко змінитися не може. У разі живлення від стабілізованого джерела живлення роль конденсаторів C9 і C11 падає, але я б залишив їх у схемі.
Фільтр радіоперешкод L1, L2, C13.
Якщо елемент Пельтьє фізично розташований поблизу контролера, то його можна виключити зі схеми. Якщо залишили, то треба звернути увагу на струм насичення і активний опір дроселів.
Вимірювальні ланцюга напруги.
Подільники напруги R8, R12 і R9, R13 визначають діапазон вихідної напруги контролера. При збільшенні вихідної напруги передавальні коефіцієнти подільників треба зменшити і змінити вимірювальні коефіцієнти в контролері. (Програма Монітор контролера елемента Пельтьє.)
Вимірювання струму відбувається за допомогою резистора R15.
По-перше треба розуміти, що вимірюється вхідний струм регулятора. Він використовується для обчислення потужності. Струм через елемент Пельтьє (вихідний струм) відрізняється від вхідного приблизно на ставлення: напруга живлення / вихідна напруга.
У пристрої використовується найпростіший і дешевий варіант вимірювання струму. Напруга з датчика струму надходить безпосередньо на вхід АЦП мікроконтролера.
Діапазон вимірювання АЦП становить 0 ... 5 В, а напруга на датчику R15 0 ... 0,25 В. Це призводить до огидною роздільної здатності вимірювання струму. У моїй схемі вимірювальний коефіцієнт струму 98 мА на одиницю АЦП. Або близько 50 градацій у всьому діапазоні вимірювання струму. У статті про випробування контролера я пишу, до чого це призводить.
Якщо опір резистора R15 збільшити, то напруга на вході АЦП збільшиться, але це призведе до великих втрат на датчику струму. Навіть у цій схемі при струмі 5 А і опорі резистора R15 рівному 0,05 Ом, потужність на резисторі буде 1,25 Вт. При збільшенні струму потужність буде зростати по квадратичної залежності. Це абсолютно неприпустимий спосіб при збільшенні потужності контролера.
При значному збільшенні потужності треба використовувати підсилювач сигналу датчика струму. Цей сигнал обробляється повільно, значить, підсилювач може бути з низькою швидкістю. Можу запропонувати схему, яку я використовую в станціях катодного захисту для посилення сигналу токового шунта.
Це неинвертирующий підсилювач, виконаний на прецизійному операційному підсилювачі OP07. Коефіцієнт посилення визначають резистори R2, R3. Головна проблема, в тому, що він вимагає негативного харчування. Де його взяти я не знаю. У багатьох пристроях я отримую негативний харчування за принципом, описаного в Уроці 27 в циклі уроків Ардуіно. Але вільного виведення мікроконтролера в цій схемі немає.
При використанні підсилювача опору шунта можна зменшити, а діапазон напруги на вході АЦП наблизити до 0 ... 5 В. Це поліпшить роздільну здатність вимірювання струму.
Можна застосувати інтегральні датчики струму, але як це вплине на вартість пристрою, я не знаю.
Всі зміни в вимірювальних ланцюгах повинні бути відображені на вимірювальних коефіцієнтах (програма Монітор контролера елемента Пельтьє). Треба домогтися того, що свідчення на екрані Монітора збігалися з реальними значеннями струму, напруги та потужності.
Підкреслю, що всі запропоновані мною рішення я не перевіряв, але вони досить очевидні. У міру необхідності я відповім на питання в розгорнутому вигляді в цій статті або напишу іншу.
При послідовному з'єднанні потрібно в 2 рази більшу напругу, а при паралельному - в 2 рази більший струм. Але при послідовному з'єднанні бажано щоб контролер регулював струм, а при паралельному - напруга. Цей пристрій регулює напругу. Тому я б вважав за краще паралельне з'єднання. В цьому випадку менше неприємностей при різних вольтамперних характеристиках елементів. Спробуйте тему на форумі сайту відкрийте. Може є інші думки або практичний досвід.
Добрий вечір! Дозбираються холодильник зі збільшеною потужністю. При цьому використовував 4 опору по 0,1 ома і через ОУ з резисторами 16ком і 1 ком (множник 17 у підсумку). І навіть запустив практично (зараз в режимі налагодження від маленького джерела живиться, Пельтьє і дросель не підключені). Виникло питання про коефіцієнти. Прошу Вашого ради.
Відповідно до формули в вим. коеф. струму повинен забити значення мого опору, яке з урахуванням ОУ має стати 0,425 ома. в результаті отримаємо число 0.01148926 з урахуванням кратності в ПО RefMonitor. Напруга не чіпав - ті ж резистори, в результаті число 0.01538086. Потужність в результаті виходить 0.00017548. Заповнив усі коефіцієнти. Тепер коли намагаюся змінити «дозволених потужність» і вбиваючи наприклад 50 вт, то ПО записує 4 вт, Пата записати 25 вт - відповідно в поле пише 2 пн. Але якщо записую 10 вт, то він так і записує 10 пт.
Так і має бути? Якщо запущу в бойовому режимі - нічого не погорять? =)
Включення вентиляторів як то зав'язано на «Напруга на виході» в основних показниках? Начебто все правильно зібрано, але з м / к на ключ не приходить лог 1 (Т включення поставив 16 град, в камері 23).
Ні. Включення і вимикання вентилятора пов'язано тільки з температурою. Подивіться, який стан вентилятора показує програма.
Як оцінити вплив швидкості продувки вентиляторами на загальну утилізованих теплову потужність? Адже чим швидше буде продування вентилятором тим більша кількість тепла буде утилізовано ?!